雷达气象学期末复习重点

雷达系统组成：触发信号产生器，发射机，天线转换开关,天线，接收机，显示器 脉冲重复频率PRF ：每秒钟产生的脉冲数目，脉冲间隔决定了探测距离；

脉冲重复周期PRT ：两个相邻脉冲之间的时间间隔，PRT ＝1/PRF ；

脉冲宽度τ：脉冲发射占有时间的宽度，单位微秒

波长λ：电磁波在一个周期内在空间占有的长度；

脉冲发射功率P ：发射机发出的探测脉冲的峰值功率；

平均功率Pa:发射机在一个脉冲重复周期里的平均功率。

天线方向图：在极坐标中绘出的通过天线水平和垂直面上的能流密度的相对分布曲线图。 波束宽度: 在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角。波束宽度越小，定向角度的分辨率越高，探测精度越高。

天线增益：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射方向上的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比。

灵敏度：雷达检测弱信号的能力。用最小可辨功率Pmin 表示，就是回波信号刚刚能从噪声信号中分辨出来时的回波功率。

平面位置显示器PPI ：雷达天线以一定仰角扫描一周时，测站周围目标物的回波。以极坐标形式显示。

距离高度显示器RHI ：显示雷达天线正对某方位以不同的仰角扫描时目标物的垂直剖面图 散射现象：当电磁波传播遇到空气介质和云、降水粒子时，入射的电磁波会从这些质点向四面八方传播相同频率的电磁波，称为散射现象。

散射过程：入射电磁波使粒子极化，正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子或多极子，并在电磁波激发下作受迫振动，向外界辐射电磁波，就是散射波。

单个球形粒子的散射

定义无量纲尺度参数：α=2πr/λ

当α<<1时：Rayleigh 散射，也称分子散射。如空气分子对可见光的散射。

当0.1<α<50：Mie 散射。如大气中的云滴对可见光的散射。

当α>50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射，彩虹等光现象。

瑞利散射：方向函数的具体形式：当雷达波是平面偏振波时，瑞利散射在球坐标中的

方向函数为：()()

ϕϕθλπϕθβ222222464sin cos cos 2116,++-=m m r 当入射雷达波长一定，散射粒子的大小和相态一定（即r 、m 为常数），则:

()()ϕϕθϕθβ222sin cos cos ,+=C

米散射：单个球形粒子的散射

Rayleigh 散射与Mie 散射不同点：

Rayleigh ：前后向散射相等，侧向散射为零。

Mie ：散射前向大于后向散射，α越大向前散射所占比越大，侧向散射不为零。

关系：

Mie 散射包含Rayleigh 散射，Rayleigh 散射是Mie 散射的特殊。

后向散射：θ= 180º，只有后向散射能量才能被雷达天线接收。

雷达截面：粒子向四周作球面波形式的各向同性散射，并以符号σ表示总散射功率与入射波能流密度之比，即雷达截面i

s S R S 2

4)(ππσ=或)(4ππβσ=

瑞利散射时的雷达截面：)(4ππβσ==2

224652

116+-m m r λπ 区分小粒子和大粒子：小粒子： σ冰 <σ水 ，冰粒是同体积水滴的1/5，所以雪和小冰粒回波弱；大粒子： σ 冰>σ 水，米散射区随冰粒直径的增大，雷达截面也增大，最大达水滴的10倍，所以大冰雹的回波非常强

外包水膜的融化冰球：理论处理：由不同折射指数的介质所组成的同心球。瑞利散射区：随着融化水膜厚度的增加，融化冰球的雷达截面增大。米散射区：随着融化水膜厚度的增 加，融化冰球的雷达截面减小。

亮带回波（1.8-2.0km ）

解释冬天北方降雪（干雪）回波较弱，而南方降雪（湿雪，认为是外包水膜的冰球）回波较强。形成0度层亮带的原因之一就是融化作用。

雷达反射率：定义单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和称为雷达反射率，并以η表示，常用单位是32/m cm 即∑=单位体积i ση

雷达反射率因子：单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子，用Z 表示，其常用单位是3

6/m mm ，即dD D D n Z D Z i 606)(,⎰∑∞

==单位体积 Z 值的大小只取决于云雨滴谱的情况；

Z 正比于D 6，一方面表明粒子越大，Z 越大，回波功率也就越大，另一方面也表明Z 的贡献主要来源于少数的大雨滴；

等效雷达反射率因子：对不满足瑞利散射条件的降水粒子，根据雷达气象方程求得的Z 值就不能代表降水的实际谱分布情况，只能是等效的Z 值(Ze)，称为等效雷达反射率因子。 衰减系数：由于衰减作用，单位接收功率在大气中往返单位距离时所衰减掉的能量dR P P d k L γγ

2-=

衰减截面：从电磁场理论吸收截面、散射截面和衰减截面可表示为

))(12(Re 21

2n n n i t t b a n S P Q ++-==∑∞-πλ )()12(22212n n n i s s b a n S P Q ++==∑∞-π

λ s t i

a a Q Q S P Q -== 云的衰减：

衰减截面：=+=Qa Qs Q t ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--21Im 21Im 82232222

2m m m m r απλλπ 特点：1.液态云的衰减随温度的降低而增大（冰云相反）2.由液滴组成的云的衰减随波长的增大而迅速减小。对于波长较短的雷达（如3cm 以下的雷达），要考虑云层的衰减作用 3.

对于波长较长的雷达，可忽略云层对电磁波的衰减作用；冰云的衰减要比液态云的衰减小2~3个量级，原因在于冰晶的介电常数小于水。

雨的衰减：1.雨的衰减系数一般与降水强度近于成正比关系；

2.雨的衰减系数在给定温度下还与波长有关系；

3.随波长的增加而减少（雷达截面与波长四次方成反比，衰减和波长成反比的影响） 大面积小雨，3cm 雷达，雨的衰减要考虑。

大面积中雨，3cm 和5cm ，雨的衰减要考虑。

大面积大雨或冰雹，3cm ，5cm 和10cm 均要考虑。

雪、冰雹对雷达波的衰减：

1.对于干雪，在波长较短、降水强度比较大、距离较远时，干雪的衰减要考虑

2.湿雪的衰减比干雪大的多，由于形状因子的影响，有时可以超过相同情况下雨的衰减

3.冰雹衰减要考虑，衰减系数与雷达波长、雹谱分布、最大冰雹直径等有关。

雷达气象方程：雷达气象方程是定量的表示云和降水的回波强度与有关因子之间关系的方程。利用雷达气象方程，可以根据回波的强度判断降水区的物理状况，并正确地选择雷达的参数。（对应的参量，均匀的）

单个目标的雷达方程

推导：天线增益G ：定向辐射天线最大辐射方向的能流密度与各向均匀辐射天线的能流密度之比：av

S S G m ax = 各项均匀辐射天线的能流密度：2

4)(R P R S t av π= 则天线定向辐射方向上距离R 处的能流密度为2max 4R G P GS S t av π=

= 雷达截面σ

根据雷达截面的定义：()max

2

4S R s s ππσ= 散射回天线的后项散射能流密度：()σππG R P S t

s 224)(=

天线有效截面积Ae ：能接收到后向散射波的天线面积比天线外口径截面积小 根据天线理论G A e π

λ42

= 因此，天线接收到的总功率为()432

24)(R G P A S P t e s πσλπ==

讨论：1.一个普遍的雷达方程，适用于任何单目标物体的探测